虚拟仿真技术开拓地球的科学教育

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摘要：虚拟仿真技术作为辅助教学手段业已得到广泛应用。不同于虚拟仿真技术在教学实验中应用的早期阶段，得益于当前空前强大的计算机性能和硬件设备，高沉浸感、高仿真度的虚拟仿真教学实验得以展开。地球科学教学中的许多课程的教学内容是“不可及、不可逆”的，虚拟仿真所包含的各种技术手段可以轻松构建出逼真的教学环境，为教师提供全新的教学手段，也创造出全新的教学模式。

关键词：虚拟仿真；地球科学；教学模式改革

0引言

信息技术的迅猛发展对地球科学教育的教学方法和教学模式产生了巨大的影响。虚拟仿真技术以其强大的现场沉浸体验和人机互动能力，成为一种非常适合应用在教育教学中的技术手段。虚拟仿真实验教学适应信息时代高等教育开放办学、资源共享的变革要求，为学生开展探究性学习、自主实验和创新实践提供了先进手段、开放平台和优质资源[1]。近年来在国家持续投入和高校不断建设的背景下，涌现了一批成熟的虚拟仿真实验案例。以国家级虚拟仿真教学实验中心为例，地球科学相关领域已获得批准的国家级虚拟仿真教学实验中心有：北京大学的“地球科学虚拟仿真实验教学中心”（2013），吉林大学的“地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心”（2013），南京师范大学的“虚拟地理环境实验教学中心”（2013），中国海洋大学的“海洋地球科学虚拟仿真实验教学中心”（2014），成都理工大学的“地质与岩土工程虚拟仿真实验教学中心”（2014）。这些虚拟仿真实验教学中心依托本校特色的教学资源，深耕于地球科学领域某个或某几个方面。

1虚拟仿真技术在地球科学教育中应用必要性

地学实验教学内容的特性以及地质、资源、环境、灾害等涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作、大范围、大数量、抽象化以及高成本、高消耗的大型综合性实验项目，需要通过虚拟仿真实验来完成教学过程，提升学生的能力。具体来讲，其必要性主要体现在以下五个方面：（1）不同于其他学科，在地球科学领域中，相关现象一般具有较大范围的空间分布。学生在进行野外实验、实习时，需要运用空间想象等认知能力来掌握全局概况，这对于初学者来说难度颇大。以地质认识实习为例，虽然学生可以观察局部某一个点上出露地表地层的岩性，分析其年代特征，却难以将各观察点的情况串联起来，形成对这一地区的综合认识。但如果在此之前，学生通过“三维地层仿真环境”对实习区域进行了全方位的观察，便可以获得更为全面、深刻的认识。（2）地球科学除了研究地表的各种地物，还深入地壳，进入海洋。另外，现在更有很多辅助地学研究的工具设备进入了高空、深空，如对地观测卫星。在当前的技术条件下，这些位置都是“不可及”的。因此，对于这部分知识，传统教学方法以课堂的原理讲授为主，以示意图表作为辅助说明，很难建立直观认识。而虚拟仿真实验教学的沉浸式环境可以让学生仿佛身临其境，并且通过交互式的操作遨游其间，这种实验教学的效果是枯燥的理论介绍所不能比拟的。（3）地球科学研究的现象，从发生、发展，到形成最终的结果一般需要漫长的时间，而且其过程一般是“不可逆”的，因此很难通过真实实验来复现这个过程。虚拟仿真实验可以完美的解决这个问题。对于一个经过漫长时间发育的地学现象，可以为它在若干关键的时间节点上，基于现有的发现、知识构建模型，从而为学生直观的呈现出这一现象发展的全过程。学生甚至还可以通过调节模型的参数来改变这个过程的发展路径、方向，得到完全不同的结果，从而更加深刻的掌握和理解相关地学原理。（4）信息技术的发展极大的改进了地球科学的研究方法和手段。高校培养的地学领域人才也需要顺应这一趋势和潮流，学生不仅仅能使用计算机查阅文献、撰写报告，还能够具备信息科学的思维能力，主动应用信息技术来发现问题、解决问题。充分结合信息技术的虚拟仿真实验，是培养学生信息化能力的最佳途径。（5）随着科学技术的进步，在地球科学研究中，出现很多先进的工具、设备，如手持光谱仪、无人机、地学物联网传感器。掌握这些设备的操作方法已成为今后从事地学领域相关事业学生的必备知识。但是这些设备或者价格高企，或者难以部署，高校限于财力无法大规模购置这些设备，学生在使用过程中的误操作也可能带来较大的经济损失。开设虚拟仿真实验可以解决这个问题：对于那些难以部署的设备，如地学物联网传感器，学生可以在虚拟环境中部署，并观察传感器的工作过程；对于那些昂贵的设备，如无人机等，学生可以在虚拟环境中进行操作练习，达到熟练操作的程度以后再开展无人机测量等真实实验。

2地球科学虚拟仿真教学建设内容

地球科学虚拟仿真教学实现了真实实验不具备或难以完成的教学功能，在存在高危或极端的环境，不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供了可靠、安全和经济的实验项目[2]。为保证实现如此复杂的系统，地球科学虚拟仿真教学需要建设以下几个方面的内容：（1）构建地球科学虚拟仿真教学体系结合虚拟仿真实验教学的要求和地球科学的学科特色，将地球科学虚拟仿真实验教学划分为全虚型（不可逆、高危险、高成本、大范围、静态转动态）、虚实结合型（抽象、难理解、难记忆、破碎化、数量大等）、全实型（可以用物理模型替代、地质体原型等）和综合性（多种对象、技术等的集成）不同层次进行方案设计。（2）优选地球科学虚拟仿真技术根据地球科学的学科特点，地球科学虚拟仿真教学可以选择的虚拟仿真技术包括：3D打印技术、沉浸式虚拟仿真技术、增强现实技术等。（3）开发地球科学虚拟仿真教学案例应用虚拟仿真技术，结合地球科学课程中的教学内容，设计若干案例，例如，火山喷发地质过程仿真实验，可以动态观察火山活动的地质过程[3]；建设岩矿石三维模型资源库，建立珍稀的岩矿石标本三维模型，纳入到虚拟仿真环境中[4]；在资源库的基础上，还可以构建地质标本仿真学习平台，让学生可以在简单的计算机环境（如浏览器）中学习、辨别矿物岩石标本[5]。（4）实践地球科学虚拟仿真实验教学案例地球科学虚拟仿真教学案例不应该是一成不变的，而是应该建立一个完善的“评价-反馈”机制：让每一个参与实验的人员对实验案例进行评价。跟踪评价结果，定期或不定期地根据评价结果和意见来调整实验案例。（5）提升专业人才培养质量无论是构建虚拟仿真教学体系，还是开发虚拟仿真教学案例，其最终的落脚点都是为提升专业人才培养质量提供更多的资源和途径。这是开展虚拟仿真实验教学的初衷和应该始终坚持的目标，也是促进虚拟仿真实验教学发展的手段。地球科学虚拟仿真实验教学体系应具有开放、可扩展的性质。学生不仅可以完成已有的实验案例，也可以自己动手设计开发新的案例。在这个过程中虚拟仿真实验培养了学生的动手能力，而学生积极参与到仿真实验案例的设计开发中，同样也会促进虚拟仿真实验教学的发展。

3地球科学虚拟仿真教学实例——虚拟地质博物馆

依托中国地质大学（北京）地学信息工程虚拟仿真实验教学中心完备的虚拟仿真实验教学环境，地球科学专业教师构建了很多虚拟仿真教学体系。其中，“虚拟地质博物馆”便是一套综合虚拟仿真教学体系。中国地质大学(北京)博物馆主要是为地质类专业的教学服务，目前拥有与矿物学、岩石学、矿床学、古生物学、地史学等基础地质课程教学配套的较为完整和系统的标本体系。“虚拟地质博物馆”基于实体博物馆构建，具备全虚型教学实验——以在沉浸式环境中漫游虚拟地质博物馆为主，学生可以与虚拟场景中的展览物品交互；虚实结合型教学实验——在实体场馆中浏览虚拟博物馆；全实型教学实验——利用3D打印设备，打印矿物岩石标本。地学信息工程虚拟仿真实验教学中心拥有由四通道高清投影设备构成的沉浸环境，“虚拟地质博物馆”可以在此得到完美的呈现。此外，实验室还具备单色、彩色3D打印机，为“虚拟地质博物馆”虚拟仿真教学体系提供支撑。实体博物馆中的地质标本主要来源为学校师生在科研、教学实习等野外工作中采集的，或者为校友、国际友人等馈赠学校的，标本来源有限。而在“虚拟地质博物馆”中，通过建立地质标本计算机三维模型资源库，可以拓展博物馆中的标本来源。“虚拟地质博物馆”允许学生通过激光扫描仪等设备自行构建地质标本的计算机三维模型，并纳入到标本模型库中。这些模型还可以通过3D打印设备，再打印出实体。这既是“虚拟地质博物馆”虚拟仿真教学体系中的实验内容，又可以扩展教学体系的实验案例，从而实现全方位多层次的人才培养。

4结语

地球科学虚拟仿真教学体系不应该是一个固定的、一成不变的“死”平台，而应该允许在其之上可以进一步扩展、开发。学生可以充分发挥其聪明才智，建立计算机模型模拟地学现象、过程，或者通过挖掘地学大数据来发现新的知识。在此基础上，可以构建一些更大尺度、更全面流程的综合性实验。例如，在全球尺度的虚拟环境下上进行地理、地质现象的综合认知实验，集成海、陆、空多要素的综合分析实验，囊括地学信息采集、处理、存储、分发、应用、分析全流程的综合业务实验。

参考文献：

[1]王卫国，胡今鸿，刘宏.国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J].实验室研究与探索，2015，34(05):214-219.

[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32(11):5-8.

[3]贺金鑫，赵庆英，韩秀梅，张家欣.火山喷发地质过程的虚拟实验教学[J].实验室研究与探索，2016，35(01):65-67.

[4]陈志军，张娅，吕新彪，陈建国，谢淑云.岩矿石标本三维建模技术及其教学资源库建设[J].实验室研究与探索，2017，36(11):140-145+158.

[5]祁志武，李功权，刘欢.地质标本虚拟仿真学习平台[J].计算机系统应用，2017，26(07):110-115.

作者:方坤 王雨双 王晓延 单位:中国地质大学